DE3611852A1 - PRESSURE SENSITIVE ELEMENT - Google Patents
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Description
VON KREISLER SCK'ONWALD EISHOLD FUES VON KREISLER KELLER SELTING WERNERVON KREISLER SCK'ONWALD EISHOLD FUES FROM KREISLER KELLER SELTING WERNER
- 3·- 3
PATENTANWÄLTEPATENT LAWYERS
Dr.-Ing. von Kreisler 11973
Dr.-Ing. K. W. Eishold 11981Dr.-Ing. by Kreisler 11973
Dr.-Ing. KW Eishold 11981
Dr.-Ing. K. SchönwaldDr.-Ing. K. Schönwald
SHARP KABUSHIKI KAISHA π'ί'ί!™**, ι ν ·.SHARP KABUSHIKI KAISHA π'ί'ί! ™ **, ι ν ·.
_ _ „ _ „ . . . Dipl.-Chem. Alek von Kreisler_ _ "_". . . Dipl.-Chem. Alek von Kreisler
22-22 Nagaike-Cho Dipl.-Chem. Carola Keller22-22 Nagaike-Cho Dipl.-Chem. Carola Keller
AbenO-kU Dipl.-Ing. G. SeltingAbenO-kU Dipl.-Ing. G. Selting
Osaka, Japan Dr. H.-K.WernerOsaka, Japan Dr. H.-K. Werner
DEICHMANNHAUS AM HAUPTBAHNHOFDEICHMANNHAUS AT THE MAIN RAILWAY STATION
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8. April 1986April 8, 1986
Die Erfindung betrifft ein druckempfindliches Element nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.The invention relates to a pressure-sensitive element according to the preamble of the main claim.
Ein derartiges druckempfindliches Element kleiner Größe ist für Druckmeßeinrichtungen o.dgl., besonders für einen optischen Drucksensor, der die Fabry-Perot Interferenz nutzt, geeignet.Such a small-sized pressure-sensitive element is useful for pressure gauges or the like, especially for an optical pressure sensor using Fabry-Perot interference.
Da ein Halbleiterdrucksensor den Vorteil hat, eine kleine Baugröße und hohe Genauigkeit aufzuweisen, ist ein Halbleiterdrucksensor zum Messen von Drücken weitgehend vorherrschend. Der Halbleiterdrucksensor hat jedoch den Nachteil, daß beim Messen von Drücken in einem menschlichen Körper unbedingt eine elektrische Abschirmung vorgenommen werden muß und das Rauschen in einem starken elektromagnetischen Feld erkannt werden muß, da beim Messen der Drücke elektrische Signale verwendet werden. Andererseits können, da ein optischer Drucksensor, der optische Signale anstelle von elektrischen Signalen verwendet, die oben beschriebenenSince a semiconductor pressure sensor has the advantage of being small in size and high in accuracy, is a semiconductor pressure sensor for measuring pressures is largely prevalent. The semiconductor pressure sensor has however, the disadvantage that when measuring pressures in a human body necessarily an electrical Shielding must be made and the noise detected in a strong electromagnetic field must because electrical signals are used when measuring the pressures. On the other hand, since an optical one Pressure sensor that uses optical signals instead of the electrical signals described above
0221j 131041 - Telex: 8882307 dopa d - Telegramm: Dompaient Köln0221j 131041 - Telex: 8882307 dopa d - Telegram: Dompaient Cologne
Probleme im wesentlichen nicht aufweist, Drücke auf einfache Weise gemessen werden. Beispielsweise kann bei einem solchen Drucksensor, bei dem eine Membran an den Enden eines optischen Faserbündels montiert ist, um eine Druckänderung als Intensitätsänderung des reflektierten Lichts durch eine Verformung der Membran zu messen, ein Drucksensor geringer Größe bis zu einem gewissen Ausmaß mit verringerten Störungen erhalten werden, der einfach im Aufbau ist. Andererseits besteht der Nachteil, daß die Änderung der Lichtintensität hierbei relativ gering ist. Wie in Fig. 1 gezeigt, besteht ein bekannter Drucksensor bzw. der Sensorteil eines Mikrofons, in dem die Verlagerung der Membran unter Verwendung der Fabry-Perot Interferenz erfaßt wird, aus einer Membran 5 aus einer Glimmerschicht o.dgl. mit einer Dicke von 10 oder mehr pm, einer Faser 6, auf deren Endoberfläche AL abgelagert ist, einem Abstandhalter 8 aus einem Material, wie beispielsweise Invar oder einem Kristall mit einem geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, und einem Stützteil 9.There are essentially no problems, pressures can be measured in a simple manner. For example, at such a pressure sensor in which a diaphragm is mounted on the ends of an optical fiber bundle a change in pressure as a change in the intensity of the reflected light due to a deformation of the membrane measure, get a pressure sensor small in size to some extent with reduced interference that is simple in structure. On the other hand, there is the disadvantage that the change in light intensity here is relatively low. As shown in Fig. 1, there is a known pressure sensor or sensor part a microphone in which the displacement of the diaphragm is detected using Fabry-Perot interference is, from a membrane 5 made of a mica layer or the like. with a thickness of 10 µm or more, one fiber 6, on the end surface of which AL is deposited, a spacer 8 made of a material such as Invar or a crystal with a low coefficient of thermal expansion, and a support part 9.
Der Abstandhalter 8 ist fest an dem Stützteil 9 montiert, so daß die Membran 5 und die Faser 6 einander mit dem erforderlichen Abstand gegenüberliegend angeordnet sind, wobei sich zwischen ihnen ein Luftspalt bildet. Da jedoch die Membran 5 und die Faser 6 eng an dem Abstandhalter 8 anhaften, ist es schwierig, die Membran 5 und die Faser 6 in einem parallelen Zustand zu halten oder den Luftspalt hinsichtlich seiner Höhe konstant zu halten. Da es erforderlich ist, daß der bekannte, die Fabry-Perot Interferenz nutzende Drucksensor in einem Bearbeitungs- und Zusammenbauprozeß hoher Genauigkeit hergestellt wird, besteht das Problem, daß er auf eine kleine Baugröße beschränkt ist.The spacer 8 is fixedly mounted on the support part 9, so that the membrane 5 and the fiber 6 face one another are arranged opposite one another with the required distance, with an air gap between them forms. However, since the membrane 5 and the fiber 6 adhere closely to the spacer 8, it is difficult to obtain the Membrane 5 and the fiber 6 to keep in a parallel state or the air gap in terms of its height to keep constant. Since it is necessary that the known pressure sensor using the Fabry-Perot interference is manufactured in a machining and assembly process of high accuracy, there is the problem that it is limited to a small size.
\ Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes
druckempfindliches Element zu schaffen, das unabhängig von der Position, bis zu der eine Faser
eingeführt ist, die erforderlichen gleichförmigen Eigenschaften aufweist.
5It is an object of the invention to provide an improved pressure-sensitive element which has the required uniform properties regardless of the position to which a fiber is inserted.
5
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß zwei Licht reflektierende durch einen Dünnschichtherstellungsprozeß gebildete dünne Schichten einen Fabry-Perot Resonator bilden, der einem Lichtübertragungssystem zugewandt ist, und daß ein druckdeformierbares Teil auf die Licht reflekierenden dünnen Schichten aufgeschichtet ist, wobei ein optischer Wegunterschied entsprechend der Weite eines zwischen den beiden Licht reflektierenden dünnen Schichten angeordneten Luftspaltes gebildet ist, dessen Weite durch Deformation des druckdeformierbaren Teiles veränderbar ist.To solve this problem, the invention provides that two light reflecting through a thin film manufacturing process thin layers formed form a Fabry-Perot resonator, which is a light transmission system is facing, and that a pressure deformable part on the light reflecting thin Layers is stacked, with an optical path difference corresponding to the width of one between the two light-reflecting thin layers arranged air gap is formed, the width of which is through Deformation of the pressure deformable part is changeable.
Die Erfindung schafft ein druckempfindliches Element geringer Größe mit hoher Leistungsfähigkeit unter Ausnutzung der Fabry-Perot Interferenz, wobei eine obere und eine untere reflektierende Schicht, die den Fabry-Perot Resonator bilden, hinsichtlich des zwischen ihnen gebildeten Zwischenraumes durch einen Dünnschichtherstellungsprozeß leicht gesteuert werden kann.The invention provides a pressure sensitive element small size with high performance taking advantage of Fabry-Perot interference, with an upper one and a lower reflective layer that is the Fabry-Perot Form resonator, in terms of the space formed between them, by a thin film manufacturing process can be easily controlled.
Das druckempfindliche Element weist die erforderlichen gleichförmigen Eigenschaften unabhängig von der Position auf, bis zu der die Faser eingefügt ist, da eine Interferenz durch die Reflektion an der Stirnfläche der Faser nicht ausgewertet wird.The pressure-sensitive element exhibits the required uniform properties regardless of the position up to which the fiber is inserted, because of interference from the reflection at the end face of the Fiber is not evaluated.
^ Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnun-/J} gen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.^ In the following, with reference to the drawing / J} gene embodiments of the invention explained in more detail.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 einen Schnitt durch einen bekannten Drucksensor, der die Fabry-Perot Interferenz
nutzt,
51 shows a section through a known pressure sensor which uses Fabry-Perot interference,
5
Fig. 2a einen Schnitt durch ein druckempfindliches
Element für Fasern gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,2a shows a section through a pressure-sensitive
Element for fibers according to a first embodiment of the invention,
Fig. 2b eine Ansicht des druckempfindlichen Elementes gemäß Fig. 2a von unten,Figure 2b is a view of the pressure sensitive element according to Fig. 2a from below,
Fig. 3a einen Schnitt durch ein druckempfindliches3a shows a section through a pressure-sensitive
Element für Stablinsen gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,Element for rod lenses according to a second embodiment of the invention,
Fig. 3b eine Ansicht des druckempfindlichen Elementes gemäß Fig. 3a von unten und3b shows a view of the pressure-sensitive element according to FIG. 3a from below and
Fign. 4a einen Herstellungsprozeß eines druckempfindbis 4f liehen Elementes gemäß Figuren 2a und 2b.Figs. 4a shows a manufacturing process of a pressure-sensitive element according to FIGS. 2a and 2b.
In den Figuren 2a und 2b ist ein druckempfindliches Element entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel dargestellt, das eine Grundplatte 11 aus fotoempfindlichem Glas, einer oberen und einer unteren reflektierenden Schicht 14,12 aus einem Material mit einem ungefähr dem der Basisplatte 11 gleichen thermischen Expansionskoeffizienten, eine zwischen den Schichten 12,14 angeordnete Zwischenschicht 13 und eine Membran 15 aus einem Material hoher Dehnbarkeit aufweist. Alle diese Teile sind aufeinander und nacheinander über einen Dünnfilmherstellungsprozeß, wie beispielsweiseIn Figures 2a and 2b is a pressure-sensitive element according to a first embodiment shown, the a base plate 11 made of photosensitive glass, an upper and a lower reflective Layer 14, 12 made of a material with a thermal approximately equal to that of the base plate 11 Expansion coefficients, an intermediate layer 13 arranged between the layers 12, 14 and a membrane 15 made of a material of high extensibility. All of these parts are on top of each other and over one another a thin film manufacturing process such as
Elektronenstrahlablagerungsmethode, Zerstäubungsprozeß, CVD-Methode (chemisches Dampfablagerungsverfahren) gebildet. Dabei wird ein Fabry-Perot Resonator aus den zuvor genannten oberen und unteren reflektierenden Schichten 14,12 und der Zwischenschicht 13 gebildet, wobei die Dicke der Schicht dem zwischen beiden Schichten 12,14 definierten Luftspalt entspricht. Die Schichtdicke kann auf einfache Weise unter Verwendung des Dünnfilmherstellungsprozeßes gesteuert werden, so daß ein druckempfindlicher Teil mit einem Fabry-Perot Resonator und mit darauf geschichteter Membran 15 auf der Basisplatte 11 gebildet wird. Die Membran 15 ändert auf elastische Weise ihre Form in bezug auf ihre Oberfläche in vertikaler Richtung entsprechend dem auf sie ausgeübten Druckniveau. Darüber hinaus wird eine Faser 16 nach oben in die Basisplatte 11 von der Unterseite der Basisplatte so 11 eingefügt, daß sie mit ihrer Stirnseite der unteren reflektierenden Schicht 12 zugewandt ist. Nach Bildung der Zwischenschicht 13, die ein Abstandhalter zwischen der oberen und der unteren reflektierenden Schicht 14,12 ist, über den Dünnfilmherstellungsprozeß > wird der Zentralbereich der Zwischenschicht 13 über einen Ätzvorgang entfernt, so daß die Zwischenschicht 13 ringförmig wird, und eine Durchgangsöffnung, die die darin eingefügte Faser 16 aufnimmt, wird ebenfalls in der Basisplatte 11 durch einen selektiven Ätzprozeß gebildet. Die Faser 16 ist mit ihrer Stirnfläche der unteren reflektierenden Schicht 12 zugewandt, so daß von einer Lichtquelle emittiertes Licht derart übertragen wird, daß es von der Stirnfläche auf die obere und untere reflektierende Schicht 14,12 geleitet wird. Das von einem Lichtübertragungssystem, wie einer Faser 16, einer Stablinse 17 o.dgl. zugeführte Licht wird auf die obere und dieElectron beam deposition method, sputtering process, CVD (chemical vapor deposition) method. A Fabry-Perot resonator is formed from the aforementioned upper and lower reflective layers 14, 12 and the intermediate layer 13, the thickness of the layer corresponding to the air gap defined between the two layers 12, 14. The layer thickness can be easily controlled using the thin film manufacturing process so that a pressure-sensitive part having a Fabry-Perot resonator and a membrane 15 laminated thereon is formed on the base plate 11. The membrane 15 changes in an elastic manner its shape with respect to its surface in the vertical direction according to the pressure level exerted on it. In addition, a fiber 16 is inserted upward into the base plate 11 from the underside of the base plate 11 so that its end face faces the lower reflective layer 12. After formation of the intermediate layer 13 which is a spacer between the upper and lower reflecting layer 14,12, over the thin film manufacturing process> the central region of the intermediate layer 13 is removed through an etching process, so that the intermediate layer 13 is annular, and a through hole, the the fiber 16 inserted therein is also formed in the base plate 11 by a selective etching process. The end face of the fiber 16 faces the lower reflective layer 12, so that light emitted by a light source is transmitted in such a way that it is guided from the end face onto the upper and lower reflective layer 14, 12. That of a light transmission system, such as a fiber 16, a rod lens 17 or the like. supplied light is on the upper and the
untere reflektierende Schicht 14,12 übertragen. Danach wird das Licht dem Lichtübertragungssystem als Signallicht zugeführt. Die obere und die untere reflektieren^ de Schicht 14,12 bilden einen gleichförmigen Luftspalt 21, dessen Abstand von der Zwischenschicht 13 bestimmt wird. Wenn die Faser 16 gegen Reflektion beschichtet ist, wird Anpassungsöl o.dgl. in die Durchgangsöffnung von der Unterseite der Basisplatte 11 aus fotoempfindlichem Glas eingeführt, so daß man ein druckempfindliche Element mit gleichförmigen und stabilen Eigenschäften, unabhängig von der Position der Stirnfläche der Faser 16, erhält. Die untere reflektierende Schicht 12 weist sechs kreisförmig rund um den zuvor erwähnten Luftspalt 21 mit gleichmäßigen gegenseitigen Abständen angeordnete Durchgangslöcher auf.lower reflective layer 14,12 transferred. Thereafter the light is fed to the light transmission system as signal light. The upper and lower reflect ^ The layer 14, 12 form a uniform air gap 21, the spacing of which from the intermediate layer 13 is determined will. If the fiber 16 is coated against reflection, matching oil or the like. into the through opening inserted from the underside of the base plate 11 made of photosensitive glass, so that you have a pressure-sensitive Element with uniform and stable properties, regardless of the position of the end face of the fiber 16 is obtained. The lower reflective layer 12 has six circularly around the aforementioned air gap 21 with even mutual spacings arranged through holes.
Die Figuren 3a und 3b zeigen ein druckempfindliches Element gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Hierbei ist die Faser 16 ersetzt durch eine Stablinse 17 und die Basisplatte 11 ist durch eine andere Basisplatte 11a mit einer öffnung zur Aufnahme der Stablinse ersetzt.Figures 3a and 3b show a pressure-sensitive element according to a second embodiment. Here the fiber 16 is replaced by a rod lens 17 and the base plate 11 is replaced by another base plate 11a replaced with an opening for receiving the rod lens.
Im folgenden wird ein Herstellungsprozeß für ein druckempfindliches Element erläutert.The following is a manufacturing process for a pressure sensitive Element explained.
In den Figuren 4a bis 4f ist ein Herstellungsprozeß für das druckempfindliche Element der Figuren 2a und 2b dargestellt. In Fig. 4a ist die fotoempfindliche Glasbasisplatte 11a ultra-violetten Strahlen ausgesetzt, während ein gewünschtes Muster darauf liegt. Bei dem Aussetzen einer Hitzebehandlung wird der belichtete Teil der Basisplatte 11a kristallisiert, um auf einfache Weise geätzt zu werden. In Fig. 4b ist ein sol-In Figures 4a to 4f is a manufacturing process for the pressure sensitive element of Figures 2a and 2b shown. In Fig. 4a, the photosensitive glass base plate 11a is exposed to ultra-violet rays, while a desired pattern is on it. Upon exposure to heat treatment, the exposed Part of the base plate 11a is crystallized to be easily etched. In Fig. 4b is a sol-
scher Mehrlagenfilm, wie beispielsweise Y2°3'
Al2O-, TiO?, Si_N., amorphes Silizium, usw. oder ein
metallischer Film, aus beispielsweise Al, Ni, Ag, Cu, usw., der zur unteren reflektierende Schicht wird, auf
die zuvor erwähnte fotoempfindliche Glasbasisplatte 11a über Ablagerungsverfahren, einen Zerstäubungsprozeß,
die CVD-Methode o.dgl. auflaminiert. Danach werden
sechs kreisförmige Durchgangslöcher mit Hilfe der fotolithografischen
Methode an Positionen gebildet, die um den belichteten Teil der Basisplatte 11 mit gleicher
Teilung angeordnet sind. Xtzflüssigkeit wird in diese
Durchgangslöcher eingefüllt, um so den Luftspalt 21 in
der Zwischenschicht 13 in einem Nachprozeß zu bilden. Gemäß Fig. 4c wird die Zwischenschicht 13 unter Verwendung
einer anisotropischen Substanz, wie beispielsweise Si, SiC o.dgl., die geätzt werden kann, auf der gesamten
Oberfläche der unteren reflektierenden Schicht 12 über einen Zerstaubungsprozeß oder die CVD-Methode gebildet.
Wenn darüber hinaus der Luftspalt in der Zwischenschicht 13 in einem Nachprozeß gebildet wird,
wird die Zwischenschicht 13, 13a in ihrer Zusammensetzung durch Ionen-Injektion oder Thermodiffusion verändert,
um nur in dem erforderlichen Teil geätzt zu werden. Auf diese Weise ergibt sich, daß der Zentralbereich
13a der Zwischenschicht, der dem belichteten Bereich der Basisplatte 11a entspricht, zu einem Bereich
wird, der leicht geätzt werden kann, und daß der Umfangsbereich 13 der Zwischenschicht zu einem die
Ätzung verzögernden Bereich wird, ähnlich p-Si. Gemäß Fig. 4d wird eine weitere dielektrische Mehrlagenschicht
oder metallische Schicht auf der gesamten Oberfläche der Zwischenschicht 13,13a gebildet, um die
obere reflektierende Schicht 14 in der gleichen Weise wie die untere reflektiertende Schicht 12 aufzutragen.sheer multilayer film, such as Y 2 ° 3 '
Al 2 O-, TiO ? , Si_N., Amorphous silicon, etc. or a metallic film made of, for example, Al, Ni, Ag, Cu, etc., which becomes the lower reflective layer, on the aforementioned photosensitive glass base plate 11a via deposition methods, a sputtering process, the CVD Method or the like laminated on. Thereafter, six circular through holes are formed by the photolithographic method at positions which are arranged around the exposed part of the base plate 11 with an equal pitch. Etching liquid is filled into these through holes in order to form the air gap 21 in the intermediate layer 13 in a post-process. 4c, the intermediate layer 13 is formed using an anisotropic substance such as Si, SiC or the like which can be etched on the entire surface of the lower reflective layer 12 by a sputtering process or the CVD method. Furthermore, if the air gap is formed in the intermediate layer 13 in a post-process, the intermediate layer 13, 13a is changed in its composition by ion injection or thermal diffusion in order to be etched only in the required part. In this way, it is found that the central area 13a of the intermediate layer, which corresponds to the exposed area of the base plate 11a, becomes an area which can be easily etched, and the peripheral area 13 of the intermediate layer becomes an etching retarding area, similarly to p -Si. According to FIG. 4d, a further dielectric multilayer or metallic layer is formed on the entire surface of the intermediate layer 13, 13a in order to apply the upper reflective layer 14 in the same way as the lower reflective layer 12.
Zusätzlich wird eine anorganische feste Schicht oder eine Legierungsschicht mit ultrahohem Modul auf den oberen reflektierenden Film 14 durch Zerstäubung oder Ablagerung aufgetragen, wobei der zuvor erwähnte Film aus einem Material, wie beispielsweise AL3O3, besteht, dessen Modul und thermischer Ausdehnungskoeffizient nahe an denjenigen der oberen reflektierenden Schicht 14 liegen. In Fig. 4e wird die fotoempfindliche Glasbasisplatte 11 mit fluorwasserstoffsaurer Verdünnungsflüssigkeit von der Unterseite der Basisplatte geätzt, um so eine Öffnung 20 zu bilden, in die die Faser 16 oder die Stablinse 17 eingefügt wird. In Fig. 4f läuft die Ätz flüssigkeit durch die in der unteren reflektierenden Schicht 12 befindlichen Durchgangsöffnungen hindurch, so daß der Luftspalt 21 in gewünschter Weise zwischen der oberen und der unteren reflektierenden Schicht 14,12 gebildet wird, in dem der nun ätzbare Zentralbereich 13a der Zwischenschicht geätzt wird. Die Zwischenschicht 13 kann wahlweise mit einer Ktzung behandelt werden, indem eine wässrige Lösung KOH, eine wässrige Lösung Ethylendiamin Brenzkatechin (APW) o.dgl. verwendet wird. Nach der letzten Stufe der Ship-Behandlung wird das druckempfindliche Element durch Einsetzen der Faser 16 oder der Stablinse 17, die gegen Reflektion durch Beschichtung, AnpassungsölIn addition, an inorganic solid layer or an alloy layer of ultra high modulus is applied to the upper reflective film 14 by sputtering or deposition, the aforementioned film being made of a material such as AL 3 O 3 , the modulus and thermal expansion coefficient of which are close to those of the upper reflective layer 14. In Fig. 4e, the photosensitive glass base plate 11 is etched with hydrofluoric acid diluting liquid from the underside of the base plate so as to form an opening 20 into which the fiber 16 or rod lens 17 is inserted. In Fig. 4f, the etching liquid runs through the openings in the lower reflective layer 12, so that the air gap 21 is formed in the desired manner between the upper and lower reflective layers 14,12, in which the now etchable central region 13a of Interlayer is etched. The intermediate layer 13 can optionally be treated with an etch by adding an aqueous solution of KOH, an aqueous solution of ethylenediamine pyrocatechol (APW) or the like. is used. After the final stage of the ship treatment, the pressure sensitive element is adjusted by inserting the fiber 16 or the rod lens 17, which is against reflection by coating, adjustment oil
o. dgl. behandelt ist, in die fotoempfindliche Glasbasisplatte 11 fertiggestellt.or the like. Is treated in the photosensitive glass base plate 11 completed.
Der Zusammenhang zwischen dem zu messenden Druck und der Verschiebung der Membran 15 in ihrer Mitte ist durch folgende Gleichung gegeben:The relationship between the pressure to be measured and the displacement of the membrane 15 in its center is given by the following equation:
Pr4 EH3 Pr 4 EH 3
W = — , D =W = -, D =
640 12(l-v2) 640 12 (LV 2 )
wobei W die Verschiebung der Membran 15 in ihrer Mitte, P der zu messende Druck, r der Radius der Membran 15, E
der elastische Hilfsmodul nach Young, ν das Poissonsche Verhältnis und H die Filmdicke der Membran 15 ist. Wenn
die Membran 15 aus Al2O- besteht und der Radius r der
Membran 90 μπι und die Filmdicke H 3 μΐη beträgt,
betragen die Verschiebungen W jeweils 0,026; 0,064; bzw. 0,129 Mm, wenn auf die Membran 15 ein Druck von
0,2; 0,5; bzw. 1,0 bar ausgeübt wird. Daraufhin wird aufgrund der zur Vereinfachung dienenden Annahme, daß
die einen Fabry-Perot Resonator bildenden oberen und unteren reflektierenden Schichten 14,12 untereinander
die gleiche Durchlässigkeit und das gleiche Reflektionsvermögen aufweisen, wenn ein optischer
Durchgangsunterschied der beiden Wege zwischen dem den oberen und unteren reflektierenden Schicht 14,12
übertragenen Licht und dem dazwischen zweimal reflektierten Licht besteht, die Phasendifferenz δ
durch die folgende Formel erhalten:where W is the displacement of the membrane 15 in its center, P is the pressure to be measured, r is the radius of the membrane 15, E is the elastic auxiliary modulus according to Young, ν is the Poisson's ratio and H is the film thickness of the membrane 15. If the membrane 15 is made of Al 2 O- and the radius r of the membrane is 90 μm and the film thickness is H 3 μm, the displacements W are each 0.026; 0.064; or 0.129 µm when the pressure on the membrane 15 is 0.2; 0.5; or 1.0 bar is exercised. Thereupon, based on the assumption for the sake of simplicity, that the upper and lower reflective layers 14, 12 forming a Fabry-Perot resonator have the same transmittance and reflectivity among one another, if an optical transmission difference of the two paths between the upper and lower reflective layer 14,12 transmitted light and the light reflected twice in between consists of the phase difference δ
obtained by the following formula:
4irnL χ cos θ4irnL χ cos θ
wobei η der Brechungsindex, der in dem zuvor beschriebenen Fall 1 beträgt, L der Abstand zwischen der oberen und unteren reflektierenden Schicht, θ der Einfallwinkel des Lichtstrahls und λ die Wellenlänge ist. Das Verhältnis der Intensität Ir des reflektierten Lichtes relativ zur Intensität Ii des einfallenden Lichtes ergibt sich aus folgender Formel:where η is the refractive index, which is 1 in the above-described case, L is the distance between the upper and lower reflective layers, θ is the angle of incidence of the light beam and λ is the wavelength. The ratio of the intensity Ir of the reflected light relative to the intensity Ii of the incident light Light results from the following formula:
Ir 4Rsin2(o/2) Ii 2 'j Ir 4Rsin 2 (o / 2) Ii 2 'j
(1-R) + 4Rsin (δ/2)(1-R) + 4Rsin (δ / 2)
""•/la·"" • / la ·
wobei R das Ref lektionsvermögen ist. Wenn δ = 2ππτ ist (m ist eine positive ganze Zahl), werden, unabhängig von dem Wert des Ref lektionsvermogens R, alle Lichtstrahlen der oberen und unteren reflektierenden Schicht 14,12 übertragen, da Ir/Ii Null wird. Es sei jedoch angenommen, daß keine Absorptionsverluste bestehen.where R is the reflectivity. When δ = 2ππτ (m is a positive integer), regardless of the value of the reflecting capacity R, all light rays will be of the upper and lower reflective layers 14,12 as Ir / Ii becomes zero. However, it is assumed that there are no absorption losses.
Wenn die Stablinse benutzt wird, ist θ ungefähr Null und wenn ein He-Ne-Laser (λ = 0,6328 pm) als Lichtquelle verwendet wird, beträgt der Abstand (Luftspalt) zwischen der oberen und unteren reflektierenden Schicht 14,12, der den zuvor genannten Bedingungen genügt, L = 0,6328m/2 (um). Wenn das Reflektionsvermögen R = 0,5 beträgt, ist das Verhältnis der Intensität Ir des reflektierten Lichtes zur Intensität Ii des einfallenden Lichtes unter den zuvor beschriebenen jeweiligen Drücken in der folgenden Tabelle wiedergegeben:When the rod lens is used, θ is approximately zero and when a He-Ne laser (λ = 0.6328 pm) is used as the light source is used, the distance (air gap) between the upper and lower reflective layers is 14.12, which satisfies the aforementioned conditions, L = 0.6328m / 2 (µm). When the reflectance R = 0.5 is the ratio of the intensity Ir of the reflected light to the intensity Ii of the incident light Light under the respective pressures described above in the following table:
Diese Näherungslösungen erhält man aufgrund der Annahme, daß sich der Abstand L zwischen der oberen und der unteren reflektierenden Schicht unter Beibehaltung der Parallelität der Schichten ändert.These approximate solutions are obtained on the basis of the assumption that the distance L between the upper and the lower reflective layer is maintained while maintaining the parallelism of the layers changes.
Da die Drücke optisch gemessen werden können, ist eine elektrische Abschirmung o.dgl. nicht erforderlich. DasSince the pressures can be measured optically, electrical shielding or the like is required. not mandatory. That
- Al-- Al-
druckempfindliche Element hat extrem geringe Größe, ist einfach im Aufbau und kann leicht hergestellt werden. Da ein Rauschen o.dgl. niemals entsteht und keine extreme Genauigkeit beim Herstellungsprozeß erforderlich ist, kann der Drucksensor geringer Größe mit überlegenen Meßeigenschaften als Massenprodukt hergestellt werden.pressure sensitive element is extremely small in size simple in construction and easy to manufacture. Since a noise or the like. never arises and none Extreme accuracy is required in the manufacturing process, the pressure sensor can be small in size with superior measuring properties can be manufactured as a mass product.
Claims (2)
dadurch gekennzeichnet, daß zwei Licht reflektierende durch einen Dünnschichtherstellungsprozeß gebildete dünne Schichten (12,14) einen Fabry-Perot Resonator bilden, der einem Lichtübertragungssystem (16, 17) zugewandt ist, und daß ein druckdeformierbares Teil (15) auf die Licht reflekierenden dünnen Schichten (12,14) aufgeschichtet ist, wobei ein optischer Wegunterschied entsprechend der Weite eines zwischen den beiden Licht reflektierenden dünnen Schichten (12,14) angeordneten Luftspaltes (21) gebildet ist, dessen Weite durch Deformation des druckdeformierbaren Teiles (15) veränderbar ist.1. pressure sensitive element,
characterized in that two light-reflecting thin layers (12, 14) formed by a thin-film production process form a Fabry-Perot resonator which faces a light transmission system (16, 17), and that a pressure-deformable part (15) on the light-reflecting thin layers (12,14) is stacked, with an optical path difference corresponding to the width of an air gap (21) arranged between the two light-reflecting thin layers (12,14), the width of which can be changed by deforming the pressure-deformable part (15).
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